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《Nature》:多孔液体,化学家的杰作

提起多孔物质,我们很自然地会想起许多固体材料,这种多孔结构在以陶瓷和金属等为基础的材料中有很多有用之处。然而你想过在液体中也能够创造出多孔结构吗?


液体的分子之间本来确实也有空隙,但它们非常微小并且形状时大时小,时有时无,不断变化。气泡可以被吹入液体中,但它们会很快浮到水面并消散。


另一方面,固体如沸石金属-有机骨架具有永久的微孔结构。它们可以被用来根据大小分离分子,并且可以承载催化剂以驱动化学反应。但这些材料不像液体,不能在管道中流动或在平滑表面上均匀分散。


图片来源:Nature / NPG


乍一看来,在液体中创造永久的微孔似乎不可思议,流动的液体难道不会自动把这些小孔填满吗?但是,聪明的化学家却想到了实现的办法。最近,在《Nature》杂志上发表了来自英国贝尔法斯特女王大学的化学与化工学院的科学家Stuart L. James及其合作者的文章,他们设计了一种特别的化合物分子。这是一种中空的有机笼状分子,在其外围表面连接了可溶于周围溶剂的基团,而且这些“笼子”的开口很小,使得那些表面基团或大的溶剂分子不能阻塞于这些开口。


Stuart L. James教授。图片来源:eurekalert.org


这个重大技术突破预计将在很多方面有重要的应用,包括气体分离、过程化学等,甚至还可能用于在化石燃料发电厂等处捕获二氧化碳,防止其进入大气中,即所谓“碳捕获”过程。


James教授说,“包含永久孔隙的材料在技术上是重要的,它们被用于制造各种塑料产品和汽油产品。然而,这些多孔材料一直以来都局限于固体。”他们所做的就是“自下而上”地设计一种特殊的液体,这种液体组成分子的形状使其无法填满所有空间。他补充道,“正是由于中空的结构,这种液体能够溶解非常大量的气体,这些初步实验帮助我们了解这种新型材料,其结果显示了其在气体溶解方面可能会有长期应用。”

图片来源:Nature / NPG


英国圣安德鲁斯大学的多孔材料专家Russell Morris评论说,液体中永久性孔隙的概念实际上已经存在了几十年,但“设计这样一个可行的系统需要技巧和毅力,这项研究工作真正做出了具有这种性能的液体,是个了不起的成就。”


研究人员最初是将在表面连上冠醚基团的中空有机“芯”结构溶解在冠醚溶剂来实现液体孔隙。为了优化气体吸收能力,该团队把尽可能多的笼状分子和溶剂混合在一起,与溶剂分子的数量比达到1:12。当与甲烷接触时,这种液体能够比单独的溶剂多吸收七倍的气体。


但冠醚很难合成,并且黏度很大,流动缓慢。所以来自利物浦大学的合作者Andrew I. CooperRebecca L. Greenaway通过在有机空心笼上覆盖一种二胺的混合物,开发了另一种多孔的液体,并将其溶于六氯丙烯。所得的多孔质液体的流动性是冠醚系材料的十倍。研究人员只用一步就合成了被覆盖的笼状分子,并且该溶剂可以直接在市场上买到。


图片来源:Nature / NPG


在早期的工作中,美国橡树岭国家实验室的Shannon M. MahurinSheng Dai及其同事们创造出了有液体状高分子表面涂层的空心胶体二氧化硅纳米粒子(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, DOI:10.1002/anie.201409420),但相比之下,这种新的多孔液体更容易在分子层面上进行修饰。Dai评论说:“这种液体将开辟新的领域,让我们重新思考和认识孔隙。”


目前这种新材料的比表面积和气体吸收能力还无法与多孔固体竞争,德国海德堡大学的笼化合物专家Michael Mastalerz在《Nature》上评论说,“相反,它们应该被看作是一类新材料的一个原型,它们肯定会找到技术上的应用”,如果它们的性质可以得到进一步改善的话。


1. http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7577/full/nature16072.html

2. http://cen.acs.org/articles/93/i45/Liquid-HolesThanks-Chemistry.html


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